[发明专利]一种抗海水腐蚀多层复合结构的AlCrSiN薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗海水腐蚀的薄膜及其制备方法，尤其涉及的是一种抗海水腐蚀多层复合结构的AlCrSiN薄膜及其制备方法。

背景技术

在各种工业中使用最广泛的材料仍是钢铁材料，海边地区由于高浓度的盐含量常常面临着严重的腐蚀问题；当海浪相互撞击和拍击海岸所产生的大量海水泡沫被气流刮起时，带有部分氯化物(包括氯化钠，氯化钙和氯化镁等)的悬浮液滴漂浮在空中，随风飘落在各种建筑，金属设备及零件上，而这些海水或者悬浮液滴中含有大量的氯离子。在潮湿和有水的条件下，氯化物易吸附在金属表面形成液膜，氯离子具有很小的水合能，容易被吸附在金属表面，同时氯离子的离子半径小(只有1.81×10^-10m)，具有很强的穿透本领，容易穿透金属表面的氧化层，进入金属内部，结果使氯离子排挤并取代氧化物中的氧而在吸附点上形成可溶性的氯化物，并导致保护膜的这些区域出现小孔，破坏了金属的钝性，加速了金属腐蚀；氯离子对金属的腐蚀是以电化学方式进行的，形成易溶于水的金属腐蚀物(Me代表金属)，同时所形成的液膜中溶解有比同体积的海水多得多的氧，而氧能引起金属表面阴极去极化过程，从而阻止由于腐蚀物的产生而使腐蚀速度下降的趋势，促使阳极腐蚀继续进行下去。

为了对沿海金属件产品进行防护，更多的是采用金属镀膜方法。大连理工大学吴博等采用多弧离子镀技术在不锈钢表面制备CrN单层、Cr/CrN双层和Cr/CrN/Cr三明治结构的三种Cr-N薄膜，结果发现，Cr/CrN/Cr三明治结构能使不锈钢在模拟海水中的抗腐蚀性能提高一个数量级；沈阳工业大学宋贵宏等通过在7075Al合金上制备Ti/TiN多层膜来减少薄膜针孔等缺陷，从而使基体的抗腐蚀能力得到改善；由此可见，在基体上制备多层薄膜是提高其抗腐蚀性能的有效手段。

物理气相沉积(PVD)技术是制备各类薄膜的主要技术之一，主要包括磁控溅射和阴极弧电弧离子镀。电弧离子镀具有离化率高、适合工业化大面积生产的优点，在负偏压加速下，沉积膜层结合力好，组织致密，沉积速率高，目前已被广泛用于硬质耐磨和高温防护薄膜。利用PVD技术制备的过渡族金属氮化物如TiN、CrN、TiSiN等具有较高的硬度、高热导率和较好的化学稳定性，广泛应用于刀具、模具和各种减磨抗磨部件及装饰。因此，越来越多的研究者们利用PVD技术在不锈钢基体上制备薄膜，通过控制薄膜结构、成分、致密度等来阻止腐蚀介质与基体的接触，从而进一步提高不锈钢表面的抗腐蚀性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种抗海水腐蚀多层复合结构的AlCrSiN薄膜及其制备方法，具有较高的膜基结合强度和优越的抗腐蚀能力。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括由下至上依次沉积在基体表面的Cr界面打底层、CrN过渡层、AlCrN粘结层和AlCrSiN工作层；所述AlCrN粘结层为CrN和AlCrN的调制纳米多层渐变结构，调制周期为5～6nm；所述AlCrSiN工作层为外延生长的超晶格结构，调制周期为1～2nm；将带有AlCrSiN薄膜的基体退火处理，薄膜物相由原先CrN和/或(Cr，Al)N相转变成Cr₂N、hcp-AlN、AlCr₂相。

所述Cr界面打底层厚度为8～10nm，CrN过渡层厚度为45～55nm，AlCrN粘结层厚度为50～60nm，AlCrSiN工作层厚度为2.8～3.1μm。

所述AlCrSiN工作层中，按原子数百分比计，包括Al35～48％，Cr6～16％，Si 3～10％，N27～39％，其他合金元素0.5～1.8％。

当Cr和N原子含量在此区间时，薄膜中较易形成CrN相，退火后随着CrN相发生调幅分解，形成Cr₂N相和AlN陶瓷相，有利于薄膜抗腐蚀性能的进一步提高。

所述合金元素选自Fe、H、C、O、Y中的一种或多种。加入适当的合金元素可以提高薄膜抗腐蚀性能。

一种抗海水腐蚀多层复合结构的AlCrSiN薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将基体放入丙酮酒精中，用超声波清洗后放入基片架，再对基体表面进行辉光清洗；

(2)打开金属Cr靶，沉积Cr界面打底层，然后打开N₂气开关，在Cr界面打底层上沉积CrN过渡层；

(3)开启金属Cr靶和AlCr合金靶，打开N₂气开关，在CrN过渡层上沉积AlCrN粘结层；